无功补偿与谐波治理技术(铜业协会)

报告日期：2009年4月无功补偿与谐波治理技术报告人：许强全国电压电流等级和频率标准化技术委员会委员中国电工技术学会电力电子学会理事一、功率因数为什么会变低？什么是无功功率？我们知道，通常我们所用的交流电压是50Hz的正弦波，在电压的两端接上负载就会产生电流，如我们在220伏（或380V）的电源上接一个电灯，电灯中流过电流，灯就亮了。当负载是电阻时，电压波形的相位与电流波形的相位完全相同，即电压波形与电流波形重叠在一起。这时电网送出的功率也与消耗的功率相等。而现实生活中电阻负载使用的较少，大多数负载都有一定的电感，如变压器、电动机、洗衣机、冰箱、空调等都是带有电感性的负载，这样就使电压波形的相位与电流波形的相位不能重叠，电流的波形（红色）就会比电压波形（蓝色）迟后△T的时间，△T时间越大，功率因数越低，消耗的无功功率也越大。那么电网送出的功率（视在功率）也与消耗的功率（有功功率）就不再相等了，电网送出的功率是如下表达式：电网送出的功率（视在功率）＝实际消耗的功率（有功功率）＋无功功率什么是无功功率：无功功率决不是无用功率，它是另外一种能量消耗的表达形式，如电动机需要建立和维持旋转磁场，使转子转动，从而带动机械运动，电动机的旋转磁场就是靠从电源取得无功功率建立的。变压器也同样需要无功功率，才能使变压器的一次线圈产生磁场，在二次线圈感应出电压。因此没有无功功率的话，电动机不会转动，变压器不会变压等。因此在正常情况下，用电设备不但从电网中取得有功功率，同时还需要从电网中取得无功功率。如果电网中的无功功率供不应求，用电设备就没有足够的无功功率来建立正常的电磁场，那么这些用电设备就不能维持在额定情况下的工作。能反映无功功率被使用的指标是用电的功率因数，即COSØ。二、功率因数低的危害无功功率不足时，对供、用电产生一定的不良影响主要表现在以下几个方面：1）降低发电机有功功率的输出；2）降低了输、变电设备的供电能力；3）造成线路电压损失增大和电能损耗的增加；4）造成设备运行时电压下降，使电气设备容量得不到充分发挥；要充分认识得问题是，从发电机和高压输电线供给的无功功率，远远不能满足用电设备的要求，为了保证电气设备运行的效率和降低费用（对无功功率电力部门也按计量收费），应加相应的无功功率补偿。举例：变压器容量为250kVA，平时功率因数为0.7，变压器已出满功率175kVA，其他容量被无功占用。现在要增加60kW的电动机。如果不采取措施的话，变压器的容量不够用，需更换变压器。采取的解决方案就是提高功率因数，在该变压器二次侧对现有设备进行补偿，补偿后功率因数提高到0.95便达到增容的目的，这样变压器的有功输出能力由原来的175kW提高到237.5kW，在原来的175kW的基础上再加60kW的电动机也只有235kW，因此提高功率因数就解决了变压器的输出能力。功率因数补偿容量的计算：Q--P--η------αβ需要补偿的无功容量；实际有功总容量；平均使用率；补偿后需要达到的功率因数；补偿前的功率因数；电能质量问题50~60年代（变压器、电动机）70~80年代（变压器、电动机、SCR应用）90年代到21世纪（先进的工艺流程、先进的设备）产生了我们意想不到的电能质量问题晶闸管时代全控型器件迅速发展IGBT出现功率集成器件1970198019901995至今¾整流、变频器装置等„3相负载主要产生5，7，11，13次谐波电流Ce1e2e3Mi„谐波电流是S=23kVATHDI=124%„谐波频谱81%H5,74%H7,42%H11,...H11H13H17H19H21H23050100H1H5H7谐波产生及分析：（无电抗器）„谐波电流是S=122kVATHDI=30%„谐波频谱28%H5,5%H7,6%H11,...L1ZCL2L3e1e2e3i020406080100H1H5H7H11H13H17H19¾整流、变频器装置等„3相负载主要产生5，7，11，13次谐波电流谐波产生及分析：（有电抗器）若以a相电压过零点为时间零点，则有:])(19sin191)(17sin171)(13sin131)(11sin111)(7sin71)(5sin51)[sin(32Lαωαωαωαωαωαωαωπ−−−−−+−+−−−−−=tttttttIida可得电流基波和各次谐波有效值分别为:⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=±=====L,3,2,1,16,36361kknIanInIIaIIdndππππ955.031≈==πνIIIIIIih2965.0955.012212=−=−=可得谐波电流为：即变频器的谐波将占总电流的29.65%左右可得基波因数为:L1ZCL2L3e1e2e3i谐波源设备：„变速传动装置（包括交流、直流）„晶闸管控制设备„固定式换流器（UPS不间断电源）„电弧炉、中频炉电源„电焊机„大建筑物中的照明„饱和电抗器‹LC无源滤波器¾单调谐滤波器¾高通滤波器（效果并不理想）¾双调谐滤波器（用的很少）‹LC无源滤波器¾失谐滤波器（只保证功率因数）谐波治理的最初方法：无源滤波器Rω/(nωS)210Zfn⏐ZRjnLnCfnfnSS=+−()ωω1单调谐滤波器对某一频率单调谐滤波器对某一频率的谐波呈现低阻抗，与电的谐波呈现低阻抗，与电网阻抗形成分流的关系，网阻抗形成分流的关系，使大部分该频率的谐波流使大部分该频率的谐波流入滤波器。入滤波器。无源滤波器的局限性，很难满足目前高度自动化控制过程中谐波变化的治理要求，同时还有系统及谐波放大的问题。并联型有源电力滤波器iiiLLfLh=+iiCLh=−iiiiSLCLf=+=负载(谐波源)iSiLiC交流电网并联型有源电力滤波器原理简图：有源电力滤波器电力电子功率器件（IGBT）DSP控制器（32位数字计算机）电流互感器（谐波电流检测）电力电子功率器件（IGBT）：电力电子功率器件IGBT的运用：•APF的基本控制结构•用于APF的谐波检测方法•用于APF的PWM跟踪控制方法•电压型APF的直流侧电压控制*CiCi*CuCiAPF的总体控制框图基本控制结构基本控制结构PWMPWM跟踪控制跟踪控制直流侧电压控制直流侧电压控制谐波检测方法谐波检测方法•时域的谐波检测方法–基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法–基于d-q旋转变换的谐波检测方法•频域的谐波检测方法–基于傅立叶变换的检测方法–DFT、FFT及改进方法变频器、直流电源等设备电网供电电网给变频器、直流电源供电时，由于这类设备固有的特性，工作时向电网发送谐波，也就污染了供电电网。A我们在它们的旁边，加装有源电力滤波器，检测变频器、直流电源这类设备的谐波，让有源电力滤波器发出大小相等、方向相反的谐波在A处叠加，使谐波消除。电流互感器并联型有源滤波器的工作方式：IAHFActiveHarmonicFilter（有源谐波滤波器）V1I1I1+I5+I7V1Non-linearLoads（非线性负载）INLTransformer（变压器）HV/LVLinearloads（线性负载）EViVILI5+I7V1谐波对企业的危害主要表现在以下几个方面：1）谐波使企业电网中的设备产生附加谐波损耗，增加电网线损。在三相四线制系统中，零线会由于流过大量的3次及其倍数次谐波电流，造成零线过热，严重时造成电缆火灾。2）谐波会产生额外的热效应从而引起用电设备发热，使绝缘老化，降低设备的使用寿命，甚至关键部件的频繁损坏。3）如果企业电网中装有补偿电容器，谐波容易使电网与补偿电容器之间发生谐振，使谐波电流放大几倍甚至数十倍，造成过电流，引起电容器和与之相连设备的损坏，经常发生此类设备的重大事故。4）谐波会引起一些敏感的自动化设备误动作，也会导致电气测量仪表计量不准确。5）谐波会对附近系统的信号传输产生干扰，轻者引入噪声，重者导致信号丢失，使系统无法正常工作。计算机、数据传送和自动控制系统数据丢失，经常会造成自动化产品线上废品率的增加。6）电力系统继电保护误启动，误动作跳闸，拒动和损坏，引起事故；7）电网谐波污染，导致输电线路、变压器和电机损耗增加，浪费能源。8）变压器、旋转电机等铁芯磁感应环流增加，大大加大电气设备发热损耗，增加功耗；加速绝缘老化，影响设备寿命；甚至发生机械谐振，旋转电机转速不稳，烧毁旋转电机。9）电能表等计量装置误差增大，不能正确计量电能。¾对输线路的影响2222212311nIIIIIITHDi=++++=+…(1)accdcsepedcRkRkkR==++2acsIRTFα=传输电路温升为：其中：I为流过导体的电流，acRαF为导体的交流电阻，为导体的总换热系数，为导体的总换热系数。谐波治理与节能的关系lgabTτ=+高分子材料的热老化方程为：¾对变压器的影响9均方根值电流增加负荷电流含有谐波时，将在三个方面引起压器发热的增加：9涡流损耗9铁芯损耗对于A级和B级绝缘材料，一般则08Cθ=τΔ式中为谐波作用下绝缘的附加温升，它和谐波含量、设备结构和容量均有关。若变压器正常的绝缘寿命为20年，由于谐波引起附加的温升与变压器绝缘寿命的对应表为：0.086SNSStttτ−=Δ谐波治理与节能的关系¾对电容器的影响谐波电压在电容器中产生额外的电力损耗：232()10nnnctgUδω∞−=×∑电力谐波和电容器之间的作用是相互的，它不仅在电容器中产生额外的电力损耗，而且可能与电容器一起产生串联或并联谐振。ctgδnωnnUn式中：为电容，为介质损耗系数,次谐波的角频率；次谐波电压有效值。为为谐波治理与节能的关系当同一母线上接有电容器和谐波源时，设电源为纯感性的，当下式成立时就会发生并联谐振:SCSSnff=因在高频电路中电容阻抗较小故可略去负荷电阻。在此条件下，当下式成立时就会发生串联谐振:2tLnctcSSffSZS=−式中:fn为谐振频率，f为基波频率，Ss系统短路容量，Sc为电容器容量式中：St变压器容量，Zt变压器阻抗标么值，SL负荷容量，Sc电容器容量在电容器的作用下，谐波电流可以被放大2～5倍，而在谐振时可达30倍以上。谐振引起的过电压和过电流会大大增加电容器的损耗和过热，这往往导致电容器的损坏。谐波治理与节能的关系谐波的危害¾对继电保护装置的影响谐波对继电保护的影响主要表现为使继电器动作特性畸变或效果降低，其后果常是保护装置的拒动或误动。常规的电磁型电流继电器的电磁动作转矩为：2222211232ppppmIWMFLKLKLKILKIRφ=====φ式中：F为电磁力，LP为动片与支点的力臂长度，为磁通，I为流入线圈的电流有效值，其中含有所有的谐波电流值谐波的危害¾对电能表的影响112WnnnPKPkP∞==+∑目前，计量中主要采用静电感应式电能表。它是按工频(基波50Hz)纯正弦交流额定工况设计制造的。存在电力谐波时，基波电流和谐波电流都会在电能表转盘上产生涡流，电能表转速所反映的功率是基波和各次谐波共同作用下产生的，即：WP1K1Pnk式中：为电能表计量的功率，为基波的转矩系数，为基波功率，为n次谐波的转矩系数。北京奥运会电车客运分公司用电设备谐波治理北京公共交通控股(集团)有限公司电车客运分公司位于朝阳区北辰路，新建奥运电动汽车充电站，新装电力设备容量2903kW(充电机、电梯、水泵等)，电光设备100kW(空调、照明等)，总用容量3003kVA。主要谐波设备为充电机，每台9kW，共210台，两路平均分配。充电机是将交流电变为直流电，其谐波特征为6脉波，由于存在整流部分(二极管整流)，充电机将向电网注入谐波电流，给系统带来严重的谐波污染和安全隐患。案例半导体、激光材料等多晶硅、单晶硅企业1）投入滤波器前可以看出，电压畸变较为严重，电压畸变率已经达到11.6%，远远超出国标要求(≦5%)；投入滤波器后电压畸变率降为3.4%。2）投入滤波器前，电流畸变率已经达到39.5%，主要以5、7次谐波电流为主；投入滤波器后，电流畸变率降为3.5%，谐波滤除率达到91.2%。案例在10kV电网中，目前运行的有源电力滤波器效果良好。正在运行的容量基本为500~800kVA，正在设计